本發(fā)明屬于礦山壓力技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種淺埋煤層區(qū)段煤柱載荷計(jì)算模型及其計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

目前，基于埋深較大的地質(zhì)條件，一般認(rèn)為護(hù)巷煤柱上的載荷，是由煤柱上覆巖層重量及煤柱一側(cè)或兩側(cè)采空區(qū)懸露巖層轉(zhuǎn)移到煤柱上的部分重量所引起的，如圖1所示。

煤柱上的總載荷為：

式中，P—煤柱上的總載荷，MN/m；

B—煤柱寬度，m；

D—采空區(qū)寬度，m；

H—煤層埋藏深度，m；

δ—采空區(qū)上覆巖層垮落角，°；

γ—上覆巖層平均容重，MN/m³。

煤柱單位面積的平均載荷即平均應(yīng)力：

若按照公式1計(jì)算煤柱載荷，在埋藏淺、工作面寬度大的條件下，得出的煤柱載荷值為負(fù)數(shù)，與實(shí)際不符。因此，需要建立適用于淺埋煤層大采高條件的煤柱載荷計(jì)算模型。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種淺埋煤層區(qū)段煤柱載荷計(jì)算模型及其計(jì)算方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種淺埋煤層區(qū)段煤柱載荷計(jì)算模型，包括用于礦井支撐的煤柱以及設(shè)置于兩煤柱之間的巷道，其中煤柱上端為覆蓋層，煤柱一側(cè)為巷道，另一側(cè)為采空區(qū)。

進(jìn)一步的，采空區(qū)上方為冒落帶和裂隙帶，裂隙帶穿過土層直接通達(dá)地表。

進(jìn)一步的，覆蓋層包括基巖層和土層，其中煤柱承受上覆蓋層的重量。

一種區(qū)段煤柱載荷計(jì)算的方法，具體包括以下步驟：

1)、首先建立區(qū)段煤柱載荷計(jì)算模型，

2)、根據(jù)區(qū)段煤柱載荷計(jì)算模型分析，得到煤柱承受壓力為上覆蓋層的重量，

3)、根據(jù)載荷模型得到煤柱載荷P_煤柱為：

P_煤柱＝Bk(h₁·γ₁+h₂·γ₂)+k[r₁·h₁·h₁·cotα+(2h₁·cotα+h₂·cotβ)h₂·γ₂](3)

式中：P_煤柱—煤柱上的總載荷，MN/m；

h₁—基巖層厚度；

h₂—土層厚度；

α—基巖層垮落角；

β—土層垮落角；

B—煤柱寬度；

γ1—基巖層平均體積力；

γ2—土層平均體積力；

k—?jiǎng)虞d系數(shù)。

進(jìn)一步的，其中基巖層垮落角α為20-25°，土層垮落角β為10-15°。

進(jìn)一步的，具體的α為24°，具體的β＝12°。

進(jìn)一步的，基巖層平均體積力γ₁為0.02-0.03MN/m³，γ₂為0.01-0.02MN/m³。

進(jìn)一步的，具體的γ₁＝0.026MN/m³，具體的γ₂＝0.017MN/m³。

進(jìn)一步的，基巖平均厚度h₁為100-150m，紅土平均厚度h₂為0-50m，動(dòng)載系數(shù)k＝1.49。

進(jìn)一步的，具體的h₁＝109m，h₂＝34m。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明一種淺埋煤層區(qū)段煤柱載荷計(jì)算模型及其計(jì)算方法，通過建立區(qū)段煤柱載荷計(jì)算模型，區(qū)段煤柱載荷計(jì)算模型模擬實(shí)際礦區(qū)結(jié)構(gòu)，包括用于護(hù)巷的煤柱以及設(shè)置于煤柱一側(cè)的巷道，其中煤柱上端為覆蓋層，煤柱一側(cè)為巷道，另一側(cè)為采空區(qū)，通過計(jì)算分析，煤柱上端的覆蓋層即為煤柱主要所受載荷，然后分別通過分析覆蓋層中的基巖層厚度、土層厚度、基巖層垮落角、土層垮落角以及煤柱寬度，從而通過煤柱上的總載荷的計(jì)算公式，代入基巖層平均體積力、土層平均體積力以及動(dòng)載系數(shù)，從而能夠分析得出煤柱承受的總載荷，然后進(jìn)一步加強(qiáng)煤柱設(shè)計(jì)，得住最優(yōu)煤柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，防止意外發(fā)生。本發(fā)明充分利用用淺埋煤層基本定義，及垮落層直接通達(dá)地表等特征，構(gòu)建了區(qū)段煤柱載荷模型，避免了傳統(tǒng)計(jì)算方法中存在的問題，很好的滿足了煤柱載荷計(jì)算方法。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有煤柱載荷計(jì)算示意圖。

圖2區(qū)段煤柱載荷計(jì)算模型結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1、煤柱；2、巷道；3、覆蓋層；4、垮落層；5、冒落帶；6、裂隙帶。

具體實(shí)施方式

如圖2所示，一種淺埋煤層區(qū)段煤柱載荷計(jì)算模型，包括用于護(hù)巷的煤柱1以及設(shè)置于煤柱一側(cè)的巷道2，其中煤柱上端為覆蓋層3，煤柱一側(cè)為巷道，另一側(cè)為采空區(qū)，其中煤柱另一側(cè)的采空區(qū)由煤礦工作面回采后上方巖體全部垮落形成垮落層4，其中采空區(qū)上方包括冒落帶5和裂隙帶6，裂隙帶穿過土層直接通達(dá)地表，煤柱上覆蓋層由下至上依次為基巖層和土層，其中煤柱承受壓力為上覆蓋層的重量。

一種區(qū)段煤柱載荷計(jì)算的方法，具體包括以下步驟：

1)、首先建立區(qū)段煤柱載荷計(jì)算模型，

2)、根據(jù)區(qū)段煤柱載荷計(jì)算模型分析，得到煤柱承受壓力為上覆蓋層的重量，

3)、根據(jù)載荷模型得到煤柱載荷P_煤柱為：

P_煤柱＝Bk(h₁·γ₁+h₂·γ₂)+k[r₁·h₁·h₁·cotα+(2h₁·cotα+h₂·cotβ)h₂·γ₂](3)

式中：P_煤柱—煤柱上的總載荷，MN/m；

h₁—基巖層厚度，m；

h₂—土層厚度，m；

α—基巖層垮落角，°；

β—土層垮落角，°；

B—煤柱寬度，m；

γ1—基巖層平均體積力，MN/m³；

γ2—土層平均體積力，MN/m³；

k—?jiǎng)虞d系數(shù)。

其中由于煤質(zhì)較硬，煤柱兩側(cè)受塑性變形后，其承載能力大大降低，因此煤柱抗壓強(qiáng)度按照彈性核區(qū)計(jì)算：

式中B_核為核區(qū)寬度。

其中基巖層垮落角α為20-25°，具體的α為24°，土層垮落角β為10-15°，具體的β＝12°，基巖層平均體積力γ₁為0.02-0.03MN/m³，具體的γ₁＝0.026MN/m³，γ₂為0.01-0.02MN/m³，具體的γ₂＝0.017MN/m³，基巖平均厚度h₁為100-150m，具體的h₁＝109m，土層平均厚度h₂為0-50m，通常工作面切眼長度為300m，具體的h₂＝34m，動(dòng)載系數(shù)k＝1.49。

通過參數(shù)帶入，根據(jù)公式4可得出煤柱上的平均應(yīng)力，見表1。

表1不同煤柱寬度煤柱載荷及平均應(yīng)力對比表

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室所測得的煤層單軸抗壓強(qiáng)度為21.8MPa，由表1可得，當(dāng)煤柱寬度為19.2m時(shí)，煤柱載荷較低；當(dāng)煤柱寬度為17.2m時(shí)，煤柱的平均載荷大于煤柱的單軸抗壓強(qiáng)度，煤柱處于不穩(wěn)定狀態(tài)，故17.6m的煤柱寬度合理。

淺埋煤層分為兩種類型：一種為基巖比較薄、松散載荷層厚度比較大的淺埋煤層，其頂板破斷為整體切落形式，易于出現(xiàn)頂板臺(tái)階下沉。另一種為基巖厚度比較大、松散載荷層厚度比較小的淺埋煤層，其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與普通工作面類似，可以借鑒已有的研究成果指導(dǎo)頂板管理。淺埋煤層的識(shí)別可以參照以下基本指標(biāo)：埋深不超過150m，基載比小于1.0。